SNCR을 이용한 석회소성 Rotary Kiln의 NOx 배출량 저감연구

함성원, 정은주*, 목영선*, 고동준*, 남인식*

경일대학교 화학공학과,

*포항산업과학연구원/포항공대 화학공학과, 환경공학부

NOx Emission Reduction from Limestone Calcining

Rotary Kiln by SNCR

Sung-Won Ham, Eun-Joo Jeong*, Young-Sun Mok*,

Dong Jun Koh*, In-Sik Nam*

Dept. of Chem. Eng., Kyungil University,

*Research Institute of Industrial Science & Technology/Dept. of Chem. Eng., School of Environ. Eng., POSTECH

서 론

석회소성 Rotary Kiln(이후 R/K)은 제철소에서 고로 및 제강공정의 부원료로 사용되는 소석회 및 백운석을 생산하는 공정으로, 제철소 부생가스인 coke oven gas(COG)의 연소에 의해 소성에 필요한 열을 공급하기 때문에 소성과정에서 발생할 수 있는 대기오염물질인 NOx의 생성제어나 처리가 요구된다.  다양한 NOx 제거 후처리기술중에서도 배가스의 온도가 1,000oC 내외의 고온인 경우에는NH3 나 요소(urea)수용액을 직접 고온의 배가스에 분사하여 NOx를 제거하는 선택적비촉매 환원(Selective Non-catalytic Reduction) 기술이 매우 효과적이며 경제적인 NOx제거기술로 평가받고 있다. 요소에 의한 NOx 제거 총괄반응은 다음과 같다.

[eqn: 4NO+2(NH sub2 ) sub2 CO+O sub2 ``->``4N sub2 + 4H sub2 O+2CO sub2``]           (1)

SNCR기술은 현재 가장 널리 상용화된 SCR기술에 비해 NOx 제거 효율이 낮고높은 반응온도(>900oC)가 필요한 단점이 있지만 SCR에 비해 투자비가 약 1/4∼1/6 정도로 매우 적어 경제적인 NOx제거기술로, 최근에 소각로, 시멘트소성로 등에 적용이 활발히 추진되고 있다. 본 연구의 대상인 석회소성 R/K도 kiln 바로 후단의 배가스 온도가 1,000℃전후로 SNCR공정을 적용하기에 매우 유리한 조건을 갖고 있다.

본 연구에서는 요소를 환원제로 사용하는 SNCR 공정의 실기적용을 위한 일련의 연구를 수행하였다.  먼저 실험실 규모의 SNCR 반응기를 이용하여 반응온도, 환원제 주입율(NSR)과 같은 반응인자들이 NOx 제거효율에 미치는 영향을 파악하였다.  전산수치모의 연구를 통해 석회소성 R/K 배가스의 유동장 특성을 파악하였으며 환원제 분사지점, 분사조건에 따른 배가스와 환원제의 혼합특성을 검토하였다. 마지막으로 실규모의 SNCR 설비를 석회소성공장에 설치하여 환원제 주입율, 환원제 분사위치, 분사노즐형태, 분사압력등과 같은 다양한 인자들이 NOx제거 효율에 미치는 영향을 조사하고 최적 공정조건을 도출하였다.

실험장치 및 방법

1. Bench-scale SNCR 반응연구

SNCR 반응에서 NOx 제거효율은 반응온도, 환원제 주입율(NSR), 체류시간 및 배가스 조성과 같은 여러 가지 kinetic factors에 크게 의존한다[1]. 본 연구에서는 Fig. 1과 같은 실험실 규모의 SNCR 반응기를 제작하여 여러 가지 반응인자들의 정량적인 효과를 파악하였다.   SNCR 반응기는 크게 연소 배가스를 생성하는 연소부와 환원제를 주입하여 SNCR 반응이 진행되는 반응부, 배가스 sample을 포집/분석하는 가스분석시스템으로 나눌 수 있다.  연소부는 직경 20cm의 원통형 형태로서 LPG를 연소시켜 배가스를 생성시키며, 이 과정에서 최대 약 90∼100ppm의 NO가 발생하지만 원하는 NO 농도를 맞추기 위해 별도로 연소화염 후단에서 NO 가스를 주입하였다. 환원제인 요소수용액은 직경 8cm의 ventury throat를 통해 배가스와 평행하게 주입되며 노즐 출구의 크기를 조절하여 환원제 주입량을 조절하였다.   SNCR 반응은 환원제 분사노즐 후단의 반응부에서 진행된다.   반응부는 직경 15cm의 원통형 구조를 갖고 있는데 배가스가 연소화염후단부터 반응부를 통과하는 과정에서 열손실로 인해 온도가 감소하는 것을 가능한 줄이기 위하여 반응부 둘레에 열선을 감아 전기적인 가열을 하였다.   반응이 끝난 배가스는 수냉열교환기를 거쳐 냉각된 후 배기된다.   반응기 위치별 배가스 성분을 분석하기 위해 sampling port를 반응부에 50cm간격으로 6개, 출구에 1개 총 7개를 설치하였다.  Sampling port는 2중관 구조로 제작하여 배가스는 내관을 통해 흡입되고 외관에는 냉각수를 흘려 고온으로 인한 변형을 방지하도록 하였다.  각 sampling port를 통해 흡인된 배가스중의 NOx 농도는 Chemiluminescence NO-NO2-NOx 분석기(Thermo Environmental Instruments사)를 이용하여 연속적으로 분석하였다.

2. 전산수치모의

SNCR 반응에서 NOx 제거효율은 1차적으로 반응온도, 환원제 주입률, 체류시간, 배가스 조성, 첨가제 주입과 같은 kinetic factors에 의존하지만 실제 공정에 적용시에는 설비 형상에 따른 배가스의 유동특성, 온도분포 그리고 환원제 분사지점 및 분사조건에 따른 혼합특성과 같은 engineering factors에 의해 영향을 크게 받는다[2,3].  따라서 본 연구에서는 실규모의 SNCR 설비적용에 앞서서 상용 CFD 프로그램인 FLUENT를 이용하여 R/K 설비에서의 유동장과 환원제 분사를 모의함으로써 환원제 분사위치 및 분사속도에 따른 혼합효과를 파악하였다.

3. SNCR공정의 실기적용

Fig. 2에 석회소성공장 R/K에 설치한 실규모의 SNCR 설비의 개략적인 구성도와 환원제 주입위치를 나타내었다.  SNCR 설비는 크게 환원제인 요소수용액의 조제, 저장 및 정량공급설비와 압축공기를 공급하기 위한 설비, 그리고 환원제 분사노즐로 구성되어 있다.  저장탱크#1에서 요소를 용해시켜 원하는 농도의 수용액을 만든 후 저장탱크#2로 이송하는데 일정한 온도와 균일한 농도를 유지하기 위하여 저장탱크#1에 electric heater와 agitator를 설치하였다. 저장탱크#2로 이송된 요소수용액은 정량펌프에 의해 분사노즐로 주입되는데 전자유량계를 설치해 주입량을 조절할 수 있도록 하였다.   분사노즐에 공기를 주입하기 위하여 air compressor를 설치하였으며 환원제 미주입시에는 분진과 고온에 의한 변형으로부터 노즐을 보호하기 위하여 purge용으로 공장압축공기를 주입하였다.  air compressor나 공장압축공기 공급시 변동을 최소화하기 위하여 air receiver tank를 설치하였으며 노즐에 주입되는 air양은 압력조절계를 이용해 조절하였다.  분사노즐은 air-atomizing type으로 총 7개를 설치하였다. kiln 하부의 위치별 NOx 농도를 분석하기 위하여 R/K 출구와 preheater 상부, stack에 sampling line을 설치하고 Chemiluminescence NO-NO2-NOx 분석기를 이용해 연속적으로 분석하였다.

결과 및 고찰

실험실 규모의 SNCR 반응기에서 NOx 제거율에 미치는 반응온도와 NSR 영향을 Fig. 3에 나타내었다.  NOx는 반응온도 약 900℃에서 최고 70%의 제거율을 나타냈으며 반응온도 증가에 따라 전형적인 종모양의 형태를 나타냈다.   NSR 증가에 따라 NOx 제거율도 증가하는 경향을 나타냈는데 이러한 증가경향은 점차 감소하여 NSR 1.5이상에서는 NSR 증가효과가 미약한 것으로 나타났다.  Fig. 4는 NSR을 1.0, 1.5, 2.0으로 변화시키며 반응기 위치별로 온도와 NOx 제거율을 나타낸 것이다.  이 때 환원제는 channel 7과 channel 6사이에서 주입되었다.  NOx 제거율은 channel 6부터 급격히 증가하다가 channel 4이상에서는 거의 일정하게 나타났는데 이는 최대로 달성가능한 NO전환율은 체류시간이나 NSR에 관계없이 반응온도에 의해 결정되는 것을 의미한다.

상용 CFD 모델을 이용하여 여러 지점에서 분사속도를 달리하며 환원제 분사실험을 모의한 결과 R/K 출구 가까이에서 배가스 흐름에 직각방향으로 충분한 penentration depth를 갖도록 환원제를 분사했을 때 NOx 제거율이 높게 나타났다.

석회소성공장 R/K에 실규모의 SNCR 설비를 설치하여 환원제 주입율, 분사위치, 노즐 tip 형상, 분사압력등에 대하여 최적화 연구를 수행하였다.   Fig. 5는 분사위치별로 NSR을 0.7에서 2.2까지 변화시키며 실험한 결과이다.   Fig. 4에서와 같이 NOx 제거율은 NSR이 증가함에 따라 증가하는 경향을 보였으며 1.5 NSR 이상으로 R/K 출구 가까이에서 분사했을 때 가장 높은 NOx 제거효과를 나타냈다.   이외에 환원제 분사형태는 노즐 tip에 의존하는데 flat 형태의 노즐 tip보다 cone 형태의 노즐 tip이 배가스와 환원제의 혼합에 효과적으로 나타났으며 배가스 흐름에 대하여 충분한 penetration depth를 나타내는 유량을 확보할 수 있도록 요소수용액의 농도를 선정해야 하는 것으로 나타났다.

결 론

석회소성 R/K에서의 NOx 배출저감을 위해 실규모의 SNCR 설비를 설치하여 최적화 실험을 수행한 결과 환원제 주입률(NSR) 1.5에서 최대 60% 정도의 NOx 제거율을 확보할 수 있었다.   SNCR 공정은 배가스 온도가 충분히 높은 경우 환원제 주입설비외에 별다른 설비를 필요로 하지 않으므로 환원제의 적정한 분사조건 설정으로 배가스와 환원제의 혼합을 잘 유지시킬 경우 매우 경제적인 NOx 저감방법이라고 할 수 있다.

5.참고문헌

[1] Sun, W. H., Stamatakis, P., Hofman, J. E., Prepr. Pap. Am. Chem. Soc.,

38(2), 1993.

[2] Østberg, M., Dam-Johansen, K., and Johnsson, J. E., Chem Eng. Sci.,

52(15), 2511-2525, 1997.

[3] Brouwer, J., Heap, M. P., Pershing, D. W. and Smith, P. J., 26th Int.

Symp. Combust., 1987.

Fig. 1. Schematic diagram of SNCR reactor system

Fig. 3. Effects of temperature

and NSR on NOx reduction

Fig. 2. Schematic layout of full-scale SNCR system applied limestone calcining R/K

Fig. 4. NOx Reduction at each

locations of reactor downstream

Fig. 5. Effect of injection location

and NSR on NOx reduction